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Eisspeicher

Verlegung der Kollektorrohre. Quelle: Hochschule München.

Der Eisspeicher ist als Kältespeicher eine Sonderform eines Fernwärmespeicher. Eiswasserspeicher wurden ursprünglich in Molkereien und Brauereien in angewendet. Dabei wird das Kältemittel (früher zumeist Ammoniak, heute oftmals das FKW-Kältemittel 134a) direkt innerhalb von in einem Wasserbecken liegenden Stahlrohren verdampft. An der Außenseite bilden sich Eisschichten. Dieses Eis speichert die Kälte perfekt, sodass bei stoßartiger Kühlwasserentnahme aus dem Wasserbecken genügend Kälte bereitgestellt werden kann. Da hier vorrangig die latente Wärme, die bei der Umwandlung von flüssigen Wasser in Eis verbraucht oder frei wird, gespeichert ist, handelt es sich um einen Latentwämespeicher.

Eisspeicher stehen meist überirdisch oder in, in den Boden eingelassenen, Becken. Größere Eisspeicher können nur unterirdisch realisiert werden. Hierzu ist nicht der Aushub einer Grube und die Herstellung eines Beckens erforderlich, sondern der Eisspeicher kann im Porenraum des Bodens ohne weitere Baumaßnahmen realisiert werden. Dies ist die preiswerteste Möglichkeit zur Realisierung größerer Anlagen.

Das Prinzip des Eiswärmespeichers beruht darauf, dass beim Gefrieren und Schmelzen von Wasser große Energiemengen in Form von Latentwärme freigesetzt bzw. aufgenommen werden. Beim Gefrieren bildet das 0 Grad Celsius kalte Wasser Kristalle und wird zu 0 Grad Celsius kaltem Eis. Hierbei gibt es Wärme an die Umgebung ab. Dies entspricht derselben Wärmemenge, die man benötigt, wenn man Wasser von 0 Grad auf 80 Grad Celsius erhitzt. In der kalten Jahreszeit können mit Hilfe oberirdischer Luft-Wasser-Wärmepumpen energetisch günstig größere Eisvolumina im Untergrund aufgebaut werden. Gleichzeitig werden bei dem Gefrierprozess große und nutzbare Wärmemengen freigesetzt. In Zeiten mit hohem Kühlbedarf steht dann durch den Schmelzprozess des Eises wiederum ein großes Kühlpotential zur Verfügung. Geologische Eiswärmespeicher könnten auf diese Weise ein Baustein für eine zukünftige klimaneutrale Wärme- und Kälteversorgung sein und zur Energiewende beitragen.

Gegenüber herkömmlichen Eiswärmespeicher-Systemen bieten sie den Vorteil, dass sie oberirdisch deutlich weniger Raum benötigen. Sie sind dadurch vor allem auch für urbane Räume geeignet und ermöglichen wesentlich größere Kühlkapazitäten auch im Gebäudebestand.

Anwendungsbeispiel 1

In der Milchsammelstelle wurde früher morgens und/ oder abends warme Milch angeliefert, die in kurzer Zeit abgekühlt werden musste, was periodisch wiederkehrend kurzfristig hohe Kühlenergien erforderlich machte. Für diese Anwendung ist die Eiswasserspeicheranlage auch heute noch ideal, da das für die Kühlung notwendige Eis über die Nacht oder zumindest über eine längere Dauer und mit einer leistungsschwächeren Kühlmaschine erzeugt werden kann als bei einer Direktkühlung. Müssen beispielsweise 6.000 Liter Milch von 30 °C auf 4 °C zügig abgekühlt werden, so wird dazu eine Eismasse von ca. 2.000 kg benötigt.

Bei neueren Anlagen wird die Kälte von der Kältemaschine direkt auf ein Wasser-Glykolgemisch bei Minusgraden übertragen, das in Kunststoffleitungen in mehreren Rohrreihen durch das Kühlwasserbecken fließt. An den Rohrschlangen bildet sich nun wieder Eis, welches über die hohe Schmelzenthalpie wesentlich mehr Kälte speichern kann als Wasser^.

Die mit Eisspeichern erreichte Kosteneinsparung basiert darauf, dass die für die vorgesehene Kompressionskältemaschine nicht auf die Spitzenlast ausgelegt werden muss und nicht in der Hochtarifzeit läuft und die notwendige Kälte vom Eisspeicher bereitgestellt wird. In den Nachtstunden (Niedertarifzeit) wird er von der Kältemaschine wieder aufgeladen und somit für den Tag neues Eis bereitgestellt. Neben diesem Kostenvorteil durch günstigere Stromtarife gibt es auch noch einen thermodynamischen Vorteil: In der Nacht ist, bedingt durch die niedrigere Außentemperatur, die Arbeitszahl der Kältemaschine besser, weshalb die für die Eisherstellung notwendige tiefere Temperatur bei geringfügig besserer Arbeitszahl erzeugt werden kann.

Anwendungsbeispiel 2

Mit dem Verbundprojekt GEWS („Entwicklung und Bau eines tiefenhorizontierten Geologischen Eis-Wärme-Speichersystems“) wird erstmalig die Nutzung von Grundwasserleitern als Eisspeicher erprobt. Das GEWS-Konsortium wird vom Kompetenzzentrum Geo-Energie am Institut für Geowissenschaften (Prof. Dr. Andreas Dahmke, Dr. Götz Hornbruch) koordiniert und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bis März 2024 mit insgesamt 2,2 Millionen Euro gefördert. Projektpartner sind das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ GmbH, die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie – Fraunhofer IEG sowie das Büro für zeitgemäße Energieanwendung BZE-Ökoplan. Die PEWO Energietechnik GmbH Elsterheide ist als beauftragtes Unternehmen für die technische Umsetzung der oberirdischen Anlage zuständig.

„Die von uns entwickelte Technologie ermöglicht über ein Raster von Erdwärmesonden das kontrollierte und räumlich begrenzte Vereisen von Grundwasser in mehreren Metern Tiefe, ohne dabei die oberflächennahen Bodenschichten einzufrieren“, erklärt Professor Andreas Dahmke vom Institut für Geowissenschaften der Universität Kiel. Erprobt wird die Technologie auf dem Testfeld „TestUM“ bei Wittstock in Brandenburg. „Wir machen Bohrungen und stellen eine Anlage mit Wärmepumpen auf, benötigen aber kein künstliches Wasserbecken, wie das in den konventionellen Anlagen der Fall ist, sondern nutzen den geologischen Untergrund. Hier am Testfeld in 10 bis 16 Metern Tiefe“, so Hornbruch. Der Pilotbetrieb auf dem Testfeld ist jetzt (2023) erfolgreich angelaufen.

Bedeutung in der Geothermie

Große Speicher, auch Eisspeicher lassen sich nur unterirdisch relisieren. Es sind dann Erdeisspeicher. Gelegentlich werden Eisspeicher, insbesondere in Nahwärmenetzen mit Geothermieanlagen kombiniert. Sinnvoller ist es dabei, die Speichermöglichkeiten der Untergrundes (Poreneisspeicher) zu nutzen und so aufwändige Investitionen in Großbauten zu vermeiden. Siehe auch das Forschungsvorhaben Erdeisspeicher. Ab einer gewissen Größe sind auf jeden Fall unterirdische (geothermische) Eisspeicher oberirdischen Behälterspeichern vorzuziehen.

Im Vergleich zu einem konventionellen Eisspeicher ist die Erstellung von Erdeisspeichern einfacher und der Einsatz von Grauer Energie geringer, da kein zusätzlicher Beton-Behälter benötigt werden. Zudem ist auch die Regeneration des Speichers außerhalb der Heizperiode deutlich effektiver, da durch Versickerung des Regenwassers die Wärme von der Oberfläche und das Grundwasser direkt zum Erdeisspeicher getragen wird.

Im Forschungsprojekt ErdEis II wurde ein solcher Erdeisspeicher in einem Neubaugebiet in Schleswig realisiert.